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名古屋大学 1996年度
文理共通数学 第3問(b)・第4問(a)

問題

3人がじゃんけんで1,2,3番を決める.ちょうど回目で3人の順位が確定する確率を求めよ.ただし3人とも,グー,チョキ,パーを出す確率はすべてとする.

出典:名古屋大学 1996年度 前期日程 第2次学力試験 文系 第3問(b)/理系 第4問(a)

方針

3人のじゃんけんでは,1回で全順位が決まることはない。まず全員同じ手または全員異なる手なら何も決まらず,それ以外なら1人だけが1位または3位に確定する。その後は残った2人の順位が決まるまでの問題になる。3人の段階で初めて1つの順位が決まる時刻と,2人の段階で決着するまでの回数を足して 回にする形で数える。

解答

3人が1回じゃんけんをするとき,結果は全部で 通りで等確率である。

全員が同じ手を出す場合は3通り,全員が異なる手を出す場合は 通りで,このとき順位は何も決まらない。したがって,3人のままやり直しになる確率は である。それ以外の18通りでは,1人だけが勝つか,1人だけが負けるので,1位または3位が1つ確定する。この確率は である。

残った2人のじゃんけんでは,1回で順位が決まる確率は であり,あいこでやり直しになる確率は である。

ちょうど 回目で3人の順位が確定するには,まず3人の段階で 回何も決まらず, 回目に1つの順位が決まり,その後2人の段階で 回あいこが続き,最後に決着すればよい。ここで である。したがって のとき

である。1回だけで3人の順位がすべて確定することはないので である。

別解。3人の段階で1つの順位が決まるまでの回数を ,残った2人で順位が決まるまでの回数を とする。どちらも「失敗確率 ,成功確率 」の同じ形であり, となる確率を足せばよい。よって

となる。